陕西省空气质量时空差异研究

杨 飞，易文利，朱婵园，董 奇

(1.宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013；2.宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡 721013)

近年来，渭河沿线城市冬季雾霾污染频发[1-2]，对陕西省城市经济发展和居民身体健康造成了极大地不利影响，引发社会广泛关注。陕西省地处我国西北部，是丝绸之路经济带重点发展省份之一，境内地形复杂多变，秦岭山脉横亘境内，将陕西省分为陕南山地、关中平原、陕北高原三大地形区。陕南属北亚热带气候，年均温在14℃，年降水量在700～900mm，关中、陕北同为温带大陆性气候气候[3-4]，关中年均温在6℃～13℃，年降水量在500～700mm，降水集中在秋季，陕北年均温约在10℃，降水少且不稳定，春季沙尘频发，年太阳总辐射和日照时数由陕南、关中、陕北依次递增[5]。

目前对于陕西省大气环境污染的研究多局限于关中平原地区[6-7]，对陕北高原和陕南山地大气环境污染状况研究较少[8]。张智锋等[9]通过榆林市5年大气污染物浓度变化趋势分析，研究发现采暖期SO2浓度是非采暖期的4倍，主导因子是燃煤锅炉污染。李星敏等[10]研究了关中地区气溶胶与大气能见度的相关性，认为大气颗粒物污染是造成秋冬季能见度低的主因。朱崇抒等[11]通过分析陕南蒿坪镇冬季PM2.5化学成分特征，发现该地冬季能源结构与采暖方式是造成PM2.5劣于国家二级标准的主因。多数学者是基于陕西省某市空气质量特征或某几项大气污染物不同时段变化机理进行深入研究，较少有学者以省为研究尺度对空气质量时空差异进行研究，陕西境内地形多变，各市空气质量的时空变化规律有待深入研究。

本文基于陕西省10个地级市各监测站2016年12月1日～2017年5月31日6项常规大气污染监测指标逐小时数据，利用GIS手段研究陕西省各市冬春季空气质量时空分布特征，评价陕西省冬春季大气污染现状，分析陕南地区、关中地区、陕北地区各项空气污染物逐月变化异同和逐小时变化异同，为陕西省各市冬春季空气质量改善提供文献参考。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本文所采用的陕西省10个地级市各监测站大气污染监测数据来自于陕西省环境保护厅(http://113.140.66.226:8111/)。数据起始日期为2016年12月1日，截止2017年5月31日，录取各监测点SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO逐小时数据，有效数据共182天。其中安康市为3个监测点，汉中市为4个监测点，商洛市为2个监测点，渭南市为4个监测点，铜川市为4个监测点，西安市为13个监测点，咸阳市为4个监测点，宝鸡市为8个监测点，延安市为4个监测点，榆林市为4个监测点。

1.2 分析方法

基于《环境空气质量标准》(GB3095—2012)和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ663—2013)，利用Excel表格对10个地级市6项监测数据进行初级处理。利用ArcGIS进行陕西省冬春季空气质量时空变化特征分析，分析陕北、关中、陕南AQI时空变化情况。采用Origin2017软件分析十个地级市SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO月均浓度变化趋势。利用HemI1.0.3.7软件作出各项污染物浓度逐小时变化热图谱，分析各地级市污染物浓度时间变化差异。

2 结果与分析

2.1 空气质量总体情况

依据《家环境空气质量标准》(GB3095—2012)，计算研究时段内各市逐日AQI(空气质量指数)，并将AQI值大于100视为当日空气质量不达标，统计不达标情况于表1。在2016年12月1日～2017年5月31日，陕西省各市空气质量在时间上表现出冬季污染较重、春季污染较轻的特点，在空间上表现出关中地区污染较重、陕北和陕南污染较轻的特征。从整体来看，在研究时段内，关中地区城市污染超标天数最多，其次是陕北地区，陕南空气污染超标较少，累计超标百分比递减顺序依次为咸阳市、渭南市、西安市、宝鸡市、汉中市、铜川市、延安市、安康市、榆林市、商洛市。冬季是大气污染最为严重的季节，关中地区城市空气污染现象尤为严重，西安市12月空气污染天数占比高达90.3%，春季大气污染情况有所好转，但空气污染地域仍以关中地区为主，陕北和陕南春季空气质量较为稳定，污染超标天数较少，安康市春季空气质量最好，空气质量指数均未超过100。

表1 陕西省空气质量超标统计表Tab.1 Condition of air quality exceed standard in Shaanxi (%)

续表1

城市超标天数百分比累计超标百分比12月1月2月3月4月5月累计超标天数(天)占比西安市903806714484267129100549铜川市61358157122610012967368渭南市871742643581367194103566商洛市25841914300676524132安康市58154821400000041225汉中市90374246497003268374

表2表明，PM2.5、PM10是陕西省冬春季各市大气环境的首要污染物，在此182d，关中地区城市大气颗粒物浓度超标天数最多，咸阳市、西安市有近一半天数PM2.5浓度超出《国家环境空气质量标准》(GB3095—2012)规定的二级浓度限值。咸阳市、西安市、渭南市存在较高程度的NO2浓度超标，多数城市存在少量天数的O3、CO浓度超标现象，各市未出现SO2浓度污染超标。

表2 污染物超标频率统计表Tab.2 Frequency of pollutants exceed the standard (μg/m3)

2.2 AQI的时空变化

图1为陕西省冬春季各市月均AQI空间分布图，图中颜色越深表示AQI值越大，即该市当月空气质量较差。由空间变化尺度可以发现，渭河沿线城市在冬春季空气质量明显劣于陕南和陕北，使得陕西省冬春季空气质量在空间上表现出“中部污染重，南北污染小”的特征。冬季供暖是城市大气污染的重要影响因素[12-13]，在2016年12月1日至2017年3月15日供暖时段内，关中各市空气质量普遍较差，都存在不同程度的污染情况，咸阳市、西安市、渭南市污染问题最为突出，月均AQI值一度高过200，处于重度污染。陕北两市空气污染小于关中各市，但仍存在一定时段的轻度污染。陕南地区由于冬季不供暖，且有秦岭山脉的阻隔，故安康市、商洛市空气质量较好，汉中市一直处于轻度污染水平，未表现出污染进一步加剧的趋势。春季供暖结束，关中、陕北、陕南各市空气质量迅速转好，咸阳市和渭南市空气污染降至轻度污染，其余各市空气质量指数均未超过100。就同一地形区而言，陕北地区城市空气质量空间差异不大，渭河沿线中东部城市大气污染严重于西部城市，陕南地区汉中市冬季空气质量劣于安康市和商洛市。陈建文等[14]、彭艳等[15]研究表明关中盆地冬季大气稳定度以稳定类占主导，污染物垂直扩散条件差，盆地西部在此时段内多为西风，盆地东部多东风，污染物极易在关中盆地中东部汇聚，故造成中东部城市大气污染较严重于西部城市。城市工业化程度是造成城际空气质量差异的重要因素[16]，2016年汉中市规模以上重工业产值769.37亿元，安康市为635.8亿元，商洛市为696.13亿元，汉中市工业排污排废量大于安康和商洛，加之冬季气候条件不利于污染物扩散，故12月汉中空气质量较差。

从时间变化尺度来看，陕西省各市12月和1月空气污染最严重，此后各月空气污染逐渐降低，使得空气质量保持在良好等级。供暖对大气环境的不利影响随着天气转暖供暖结束而消失，加之大气运动加强、地表植被覆盖增强、降水增多等有利因素的共同作用，使得空气污染物浓度从来源和扩散过程两方面减轻，各市空气质量指数在4、5月达到研究时段内的最低值，空气质量表现为良好等级或轻度污染。

图1 AQI逐月变化图Fig.1 AQI monthly change

表2表明，陕西省冬春季各市空气质量指数均在0.01置信度水平上呈极显著相关性。关中五市AQI值两两之间表现出极强的相关性，Pearson相关系数均大于0.8，表明关中五市大气污染存在同期性。关中五市呈东西向分布于渭河谷地，区内工业基础雄厚、人口密度大、交通发达、经济联系密切，极易发生大规模的空气污染事件，由于大气污染物扩散受地形条件和气象条件影响显著[17-18]，在北部黄土高原和南部秦岭山脉的阻隔下，大气污染物只能东西向扩散。在陕南三市中，安康市与汉中市相关系数最高，达到0.839，两市地形条件相似，境内多山地，北部为秦岭山系，南部为大巴山系，污染物局地扩散以东西向为主，故AQI相关系数高。榆林市和延安市同属黄土高原，境内地形条件、工业基础、植被覆盖、污染源和污染物扩散条件相近，Pearson相关系数达0.772。经Pearson相关系数验证，地理位置和地形条件是造成各市AQI同期变化的重要因素。

表3 AQI Pearson相关系数Tab.3 Correlation coefficient of AQI

注：**相关性在0.01置信度水平上相关

2.3 单项污染物时空变化

通过图2可以看出，在冬春季期间内，陕西省各市SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO污染程度是逐月下降的，唯有O3月均浓度是逐月上升的，与南国卫等[19]研究结果相符。陕北、关中地区受冬季供暖燃煤的影响，冬季SO2月均浓度高于陕南地区，延安市SO2月均浓度显著高于各市，但未超过二级标准，春季供暖结束后各市SO2月均浓度接近，保持在较低水平。陕北、关中地区NO2月均浓度高于陕南地区，各市NO2污染差异表现出随时间变化逐渐趋小的特征。各市CO月均浓度在3月出现了一个较大幅度的下降，4月和5月降幅减小。各市O3污染程度接近，并表现出以相同的增幅稳步上升的趋势。冬季关中地区PM10、PM2.5污染严重，均劣于二级标准，为该地区大气环境首要污染物，咸阳、西安、渭南污染最为突出，咸阳、西安、渭南冬季PM10浓度分别为春季的1.81倍、1.96倍、1.6倍，冬季PM2.5浓度分别为春季的2.5倍、2.96倍、2.44倍。大量煤炭燃烧以及不利的地形条件和气象条件，使得关中地区PM10、PM2.5浓度长期维持在较高水平，春季供暖结束污染源减少，以及天气回暖、降水增加、大气运动加强等气象要素的作用下各市颗粒物浓度迅速下降，但高值区仍为关中地区。关中地区的大气污染类型是机动车尾气、煤烟、地面扬尘综合作用的复合型污染[20]，在多数时段下，关中地区气态污染物和颗粒污染物浓度值较高，冬季陕南地区大气扩散条件差，大气中的颗粒物极易在近地面累积，造成颗粒物型污染。

图2 单项污染物逐月变化Fig.2 Monthly change of single pollutant

2.4 单项污染物日变化比较

1.安康市，2.汉中市，3.商洛市，4.渭南市，5.铜川市，6.西安市，7.咸阳市，8.宝鸡市，9.延安市，10.榆林市。图3 单项污染物逐小时变化图Fig.3 Hourly change of single pollutant

利用HemI1.0.3.7软件分析陕西省各市污染物浓度时间变化差异，结果见图3。在陕西省冬春季冷暖过渡时段内，各市污染物浓度小时变化特征存在一定的相似性，SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO污染多发生在夜间，O3日最高值出现在午后。延安市SO2污染最为严重，在8∶00～12∶00、18∶00～次日1∶00时段内SO2浓度出现高值区，铜川市、咸阳市、榆林市SO2浓度也在此时段内出现小幅度上升，剩余城市仅在8∶00～14∶00处出现一定波动，其它时间段内SO2浓度处于较低水平无明显变化。在20∶00～次日1∶00时段各市NO2达到一天最大值，渭南市、西安市、咸阳市、延安市在此时段内NO2污染最严重，下午14∶00～16∶00处为一天内最低值，安康市和商洛市全天处于较低值，小时变化不明显。延安市CO日小时均值变化特征与SO2相同，结合图2证实延安市是CO、SO2污染最严重的城市，安康市、商洛市全天CO浓度维持在较低水平，其它城市CO浓度在14∶00～17∶00时段内降至最低值。各市O3小时变化存在同期性，当日最高值均出现在12∶00～18∶00区间内，夜间O3小时浓度始终保持在较低范围内，安康市、商洛市、铜川市、榆林市O3小时浓度在各个时段内均高于其它城市。安康市、商洛市全天PM10污染程度较低，在0∶00～8∶00时段为当日低值区，渭南市、西安市、咸阳市全天PM10污染处在较高浓度范围内，其浓度高值时间段异于安康和商洛，在21∶00～次日4∶00时段内达到最大值，铜川市在5∶00～7∶00当日最低值，其余时段浓度无显著变化，汉中市、宝鸡市、延安市、榆林市一日当中出现两次低值区，分别是5∶00～7∶00时段和13∶00～17∶00时段。商洛市、榆林市PM2.5污染程度最低，高值均出现在9∶00～11∶00，西安市和咸阳市PM2.5污染日变化特征与PM10趋同，所有城市均在14∶00～16∶00处达到当日PM2.5浓度最低值。

光化学作用下生成的O3与太阳辐射强度呈正相关[21]，午间前后太阳高度角达到当日最高值，太阳辐射最强，陕西省各市O3含量达到当日高值。白天温度高且大气运动活跃，有利于近地面气态污染物和颗粒污染物的扩散，夜间温度降低，大气稳定度强，污染物扩散条件差，污染物在低空汇聚表现出浓度趋高。在不同自然地形条件下，陕北、关中、陕南各城市O3浓度日变化表现出相近的变化类型，说明城市自然地形要素不是O3浓度日变化的决定要素，温差以及温差影响的天气条件变化才是造成O3小时浓度高值和低值变化的主导因素。

3 结 论

3.1 在2016年12月1日～2017年5月31日，陕西省大气污染存在较大的空间差异和一定的时间波动。冬季空气质量普遍较差，1月、2月污染最严重，关中地区大气污染问题最为突出，且关中各城市空气质量表现出极强的相关性。春季空气质量有所改善，咸阳市和渭南市空气污染降至轻度污染，其余各市空气质量均处于良好等级以内。

3.2 在常规监测的六项大气污染物中，各市SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO浓度在2016年12月到2017年3月均呈逐月下降的趋势，4月和5月在低值区略有波动，各市O3月均浓度在2016年12月到2017年5月是逐月上升的。SO2污染以延安市为主，NO2、CO污染以秦岭以北地区为主，O3污染无明显空间差异，颗粒物污染以关中地区占主导，春季各市单项污染物浓度空间差异逐步降低。昼夜温度差异影响污染物浓度日变化特征，其对O3浓度日变化影响最显著，O3污染高频时段多为午后。

3.3 相较于陕南地区，关中、陕北地区等供暖地区冬季大气污染更为严重，以关中地区大气颗粒物污染最为突出，应加强供暖时段内大气颗粒物污染的预防和治理。

本文主要研究陕西省冬春季空气质量时空变化特征，旨在掌握陕西省各市冬春季大气污染程度和主要污染物时间变化趋势，由于数据条件与个人能力的限制，未能对造成污染时空差异的各项自然因素以及城市化水平、工业化程度等经济因素展开深入分析，需在以后学习中进一步完善和探究。

参考文献：

[1] 王 珊,廖婷婷,王莉莉,等. 西安一次霾重污染过程大气环境特征及气象条件影响分析[J]. 环境科学学报, 2015,35(11):3452-3462.

[2] 刘瑞芳,陈小婷,姚 静,等. 陕西关中持续性雾霾天气的气象条件分析[J]. 中国农学通报, 2017, 33(1):82-88.

[3] 郝亚平. 陕西省自然资源资产负债表编制方法的研究[D]. 西安: 西安石油大学,2016.

[4] 杨欣霖. 高速公路服务区绿色建筑技术体系研究[D]. 西安: 长安大学,2011.

[5] 吴林荣,王娟敏,刘海军,等.陕西省太阳辐射及其日照时数的时空变化特征[J]. 水土保持通报,2010, 30(2):212-214.

[6] 孟 宁,贝耐芳,李国辉,等. 关中地区冬季人为源减排对PM2.5浓度的影响[J]. 中国环境科学, 2017, 37(5):1646-1656.

[7] 董娅玮,李杨扬,杜 涛,等. 2014—2015年关中地区环境空气质量状况对比分析[J]. 环境工程技术学报, 2016, 6(6):532-538.

[8] 曹 宇,姜志立,王小文,等. 榆林市城区环境空气质量污染特征及原因分析[J]. 环境保护科学, 2012, 38(3):9-13.

[9] 张智锋,刘雪锦,雷 芬. 榆林市环境空气质量变化趋势及相关性分析[J]. 环境科学导刊, 2014, 33(2):54-56.

[10] 李星敏,董自鹏,陈 闯,等. 陕西关中气溶胶对大气能见度的影响研究[J]. 高原气象, 2014, 33(5):1289-1296.

[11] 朱崇抒,曹军骥,刘随心,等. 陕南农村冬季PM2.5主要化学组分特征[J]. 地球环境学报, 2016, 7(5):494-500.

[12] 陈 强,孙丰凯,徐艳娴. 冬季供暖导致雾霾?来自华北城市面板的证据[J]. 南开经济研究,2017,(4):25-40.

[13] 潘本锋,汪 巍,李 亮,等. 我国大中型城市秋冬季节雾霾天气污染特征与成因分析[J]. 环境与可持续发展, 2013,38(1):33-36.

[14] 陈建文,胡 琳,王娟敏,等. 陕西省大气稳定度分布特征研究[J]. 水土保持研究,2013, 20(3):299-304.

[15] 彭 艳,王 钊,李星敏,等. 近60a陕西关中城市群大气能见度变化趋势与大气污染研究[J]. 干旱区资源与环境,2011,25(9):149-155.

[16] 吕 鑫,郝连秀,郭庆彪. 安徽省空气质量时空分布特征分析[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(12):144-147,152.

[17] 高超群,秦 媛,易 秀. 关中地区大气污染现状及特征分析[J]. 应用化工,2017,46(7):1394-1397.

[18] 李国辉,冯 添. 关中地区重污染期间PM2.5输送与来源的模拟研究[J]. 地球环境学报, 2016, 7(4):412-424.

[19] 南国卫,孙 虎. 基于灰色关联模型对陕西省O3浓度影响因素分析[J]. 环境科学学报, 2017, (12):4519-4527.

[20] 江 泉,曹莹雪,杨建军. 气候变化对陕西省大气污染潜势的影响[J]. 环境工程技术学报,2017, 7(3):278-284.

[21] 郑凤魁,袁 铁,吉东生,等. 三亚地区冬春季大气污染特征观测研究[J]. 南京信息工程大学学报(自然科学版),2016,8(2):129-137.